L électricité photovoltaïque
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- Florent Viau
- il y a 8 ans
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1 Source : Site Internet "Architecture et énergies renouvelables" réalisé par l'agence Méditerranéenne de l'environnement (AME) et l'ordre des Architectes du Languedoc-Roussillon Rédaction : Yves JAUTARD et Thierry BOUDOL (Solarte) - 25/05/2000 L électricité photovoltaïque L ELECTRICITE PHOTOVOLTAÏQUE : PRINCIPE Il s agit de transformer l énergie contenue dans la lumière du soleil en énergie électrique en utilisant un effet physique de certains matériaux : l effet photovoltaïque. La cellule photovoltaïque Les photopiles ou cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants. Le matériau de base est dans la plupart des cas le silicium. Selon le procédé de fabrication, on obtiendra des photopiles plus ou moins performantes, sous forme amorphe, polycristalline, ou monocristalline. D autres matériaux sont utilisables : Arséniure de Gallium (AsGa), Tellurure de Cadmium (CdTe). Le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques acquises par le silicium quand des atomes étrangers en petit nombre (des "impuretés") sont substitués à des atomes de silicium dans un réseau cristallin : c est ce que l on appelle le dopage; Si l'atome d'impureté contient plus d'électrons que le silicium, le matériau contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type "N" (ex : dopage au phosphore). Si l'atome d'impureté contient moins d'électrons que le Silicium, le matériau sera déficitaire en électrons : il sera dit de type "P" (ex : dopage au bore). Une cellule solaire sera obtenue en constituant une jonction de deux zones de type opposées (jonction PN). Au voisinage de la jonction, un champ électrique apparaît provoqué par le déséquilibre de charges. Il va contribuer à drainer les électrons qui auront été détachés par l énergie des photons («grains de lumière») incidents. Solaire photovoltaïque - 1
2 Grille conductrice Couch e anti-reflet (-) Grille co nductrice Zone N 0,5 µm Zone P 300 µm Surface conductrice arrière (+) Polarité (-) L'effet photovoltaïque : C'est le résultat de l'interaction de la lumière avec les atomes de cristal. L'énergie d'un photon dépend de sa longueur d'onde. Un photon d'énergie suffisante (c est à dire dont la longueur d onde est comprise entre 0,4 et 1,1 µm ~ spectre visible) qui heurte un atome de silicium peut arracher un électron et lui communiquer une certaine vitesse. L'électron ayant acquis suffisamment d'énergie peut se déplacer vers la jonction PN, où la présence du champ électrique a pour conséquence la collecte de l'électron vers la région N, le champ empêchant la recombinaison de l'électron avec son atome d'origine. Une tension électrique apparaît entre les deux zones N et P. Le dispositif devient générateur électrique sous l'effet de la lumière. La collecte de courant se fait par les contacts métalliques, en forme de grille sur chaque face. Si ces électrodes sont reliées à un circuit extérieur, un courant circule. L épaisseur nécessaire pour réaliser ce phénomène n est que de quelques dizaines de microns, mais pour des raisons mécaniques, les cellules atteignent généralement des épaisseurs de 200 à 400 microns (10-6 mètres). Selon la technologie utilisée (amorphe en couche mince, polycristallin, monocristallin), le rendement de conversion s échelonne de 6 à 20 % actuellement pour le silicium. Cela permet notamment une puissance d environ 100 Watts-crête/m pour le silicium cristallin (compte tenu des espaces restant entre les cellules) et 60Watts-crête/m pour l amorphe (à 20 C). La technologie du silicium cristallin (85% du marché). Cette technologie se subdivise en deux sous-filières : Le silicium monocristallin et le silicium polycristallin (ou multicristallin). Elles sont différenciées par le procédé d obtention du cristal. Les modules sont constitués d un groupement de cellules interconnectées. Les cellules sont noyées dans un bain de résine et encapsulées entre deux vitres en verre trempé (modules biverre) ou entre une vitre et une feuille de tedlar (module verre/tedlar). Le tout est généralement inséré dans un cadre aluminium anodisé, mais il existe des modules sans cadre pour les applications en intégration bâtiment dans des profilés alu de verrière ou façade classiques. Solaire photovoltaïque - 2
3 La puissance que peut fournir un module est fonction de sa surface et de l ensoleillement incident. Elle s exprime en Watt-crête (Wc) et représente la puissance maximale du module pour l ensoleillement maximal de référence (1000 Watt par m (W/m)). La tension délivrée par un module dépend du nombre de cellules connectées en séries. Pour les modules de petite puissance (< 75 Wc), la tension d usage est généralement comprise entre 12 et 15 Volts. Des modules de puissance plus importante sont obtenus par une augmentation du nombre de cellules en série (augmentation de la tension) et augmentation du nombre de branches de cellules en parallèle (augmentation de la valeur du courant). La tension d usage peut alors être de 24 Volts ou plus selon la configuration du système à alimenter. La surface des modules est variable selon les fabricants et est généralement comprise entre 0,5 et 1 m ; elle peut atteindre 3 m pour des fabrications spéciales et si l importance de la commande le permet. Plusieurs modules interconnectés constitueront un panneau. Plusieurs panneaux interconnectés constitueront un champ photovoltaïque. L assemblage des modules en série et/ou en parallèle permettra de fixer différentes tensions et puissances. Les technologies en couches minces Elle concerne actuellement le silicium amorphe hydrogéné mais d autres semi-conducteurs sont en voie de passer au stade commercial : Tellurure de Cadmium (CdTe), Séléniure de Cuivre et Indium (CuInSe2 dite CIS) par exemple qui sont utilisés sous forme cristalline. Des études sont en cours pour réaliser des modules en silicium cristallin en couche mince permettant d allier les performances du silicium cristallin aux qualités du silicium amorphe en se débarrassant de ses inconvénients (mauvaise stabilité, faible rendement...). Ce matériau (silicium amorphe) est déposé en phase vapeur, à partir de silane, sur un verre conducteur. La structure est p-i-n, c est-à-dire faite de 2 jonctions séparées par une zone non dopée (i) où règne un fort champ électrique. On réalise maintenant des tandems p-i-n/p-i-n permettant d atteindre des rendements de 10%. Les modules en silicium amorphe ont une apparence uniforme (ils ne sont pas découpés en petites cellules comme le cristallin). Il est possible de donner un aspect semi-transparent en ménageant des petites rayures entre les bandes de silicium. La surface des modules peut atteindre 1,2 m. APPLICATIONS En dehors des applications spatiales à l origine du développement des techniques photovoltaïques et des applications en électronique (alimentation de calculette, de montres...), on trouve deux grandes familles d applications : les générateurs autonomes pour l alimentation de sites isolés du réseau de distribution d électricité (habitat, relais hertzien, pompage, balisage en mer, électrification rurale des pays du sud...) ; les centrales photovoltaïques connectées au réseau (en très fort développement dans les pays industrialisés); Solaire photovoltaïque - 3
4 Le générateur photovoltaïque autonome Armoire de Régulation Champ de modules Utilisations en courant continu G.E. AC DC DC AC Utilisations en 220 V alternatif Chargeur Batterie d'accumulateur Onduleur Synoptique d'un générateur photovoltaïque autonome Le générateur photovoltaïque autonome comprend 5 sous-ensembles (dont 2 optionnels) : le champ de modules : produit l énergie. l armoire de régulation : gère le système. le parc de batterie : stocke l énergie (absent sur les systèmes au fil du soleil) l'onduleur (optionnel) : transforme l énergie le chargeur (optionnel) : permet de recharger la batterie à partir d un groupe électrogène d'appoint en cas de besoins. Le générateur photovoltaïque fonctionne de façon autonome, soit au fil du soleil (pompage), soit avec un stockage intermédiaire sur batterie. Le champ de modules Le nombre de modules qui constituent le générateur photovoltaïque est déterminé à partir des besoins en énergie électrique du futur utilisateur et des caractéristiques climatiques du site : ensoleillement, température... L'armoire électrique L'armoire électrique relie entre eux les différents éléments du générateur photovoltaïque autonome. Elle rassemble les protections réglementaires nécessaires à toute installation électrique (respect des normes en vigueur) et accueille le système de régulation. La partie «régulation» de l armoire électrique assure plusieurs fonctions : régulation de la charge de la batterie par limitation de la tension pour éviter les surcharges. limitation de la décharge de la batterie par délestage de l'utilisation, pour éviter les décharges trop profondes risquant d'endommager la batterie. contrôle du fonctionnement du générateur, par voyants et appareils de mesure : ampèremètre, voltmètre, ampèreheuremètre, enregistreur de données. Solaire photovoltaïque - 4
5 Le parc batterie La batterie d'accumulateurs stocke l'énergie produite par les modules pour assurer l'alimentation des récepteurs en toute période. Elle est constituée d'éléments de 2, 6, ou 12 V. La tension et la capacité désirées s'obtiennent par un couplage série / parallèle des éléments. La capacité est déterminée en fonction des besoins des usagers, du mode de consommation de l énergie et du nombre de jours d'autonomie souhaité. Pour un habitat dans les Pyrénées Orientales, on prévoira environ 7 jours d autonomie, dans le Jura ce sera plutôt 15 jours. La durée de vie des batteries stationnaires au plomb est d environ 8 à 10 ans (sous réserve d une bonne gestion, rôle de la régulation). L'onduleur et le chargeur L'onduleur est un appareil permettant de transformer le courant continu en courant alternatif et d'alimenter les récepteurs en alternatif à partir de l'énergie stockée dans la batterie. Certains onduleurs ont la particularité d'être réversibles. C'est à dire qu'ils sont aussi capables de tenir le rôle de chargeur en convertissant le courant alternatif provenant d'une autre source alternative (groupe électrogène, réseau, picoturbine hydroélectrique, éolienne), en courant continu pour charger la batterie. Si cela n est pas le cas, on rajoute un chargeur indépendant. Les dimensions de l onduleur et du chargeur doivent être adaptées à la puissance des appareils à alimenter et à la capacité du parc de batterie auquel ils sont reliés. Exemple d applications possibles : Habitat, refuge de montagne, maison forestière, éclairage de monuments, déchetteries, relais hertziens (radio, téléphone, T.V.), pompage, traitement d eau, balisage en mer, signalisation routière, détection de crue, éclairage citadin (abribus, parc et jardins...), horodateurs, loisir (camping-car, cabanes...),... La centrale solaire photovoltaïque. Il est possible d utiliser un générateur photovoltaïque de façon non autonome, en le connectant au réseau public de distribution d électricité. Nous aurons alors une petite centrale de production d électricité dont l énergie sera soit consommée sur place par le propriétaire, soit revendue sur le réseau. En cas de production excédentaire, le générateur photovoltaïque alimente le réseau et inversement, le réseau alimente la distribution en cas de déficit ou hors production solaire. L ensemble est entièrement automatisé et géré par un ou plusieurs onduleurs. Le système est donc beaucoup plus simple. Il n y a plus de batterie (c est le réseau qui joue ce rôle), il n y a plus d armoire de régulation complexe. Solaire photovoltaïque - 5
6 champ photovoltaïque Compteur EDF Achat 24 Vcc Compteur EDF Vente Limite de consession (disj. de branchement) Onduleur sinus 24Vcc/220Vca Tableau de distribution SOLARTE Ces centrales peuvent être installées sur des maisons d habitation individuelles, des bâtiments publics (ex bibliothèque de Mataró en Catalogne) ou privés. Elles peuvent remplacer la toiture ou être installées en façade. AVANTAGES ET LIMITES DU PHOTOVOLTAÏQUE Les installations bien conçues sont fiables, même dans des conditions climatiques très rudes. La durée de vie des modules photovoltaïques dépasse 20 ans, celle des batteries atteint 8 à 10 ans. Les systèmes peuvent être conçus pour des puissances très variables (de 20 Wc pour un système de signalisation routière jusqu à 1 MWc pour une centrale connectée au réseau (ex : bâtiment public à Hern en Allemagne)). Le montage est aisé et rapide. Les panneaux sont relativement légers (10 à 15 kg). Les seules contraintes sont l orientation, l inclinaison et leur disposition par rapport aux masques éventuels. Les panneaux doivent être orientés en direction de l équateur. Leur inclinaison par rapport à l horizontale doit être adaptée à la saison d utilisation la plus défavorable pour les systèmes autonomes (elle a moins d importance sur les systèmes connectés au réseau, c est pourquoi on peut trouver des capteurs en façade ou en toiture à faible pente). Une attention particulière doit être portée aux éventuels masques. Les cellules étant connectées en série, le masquage, même partiel, d une seule cellule provoque l inhibition de toute une série et conduit à une sensible baisse de production du module. Le coût de fonctionnement est faible. La maintenance est limitée à une ou deux visites annuelles effectuées par un professionnel. Il n y a pas d usure mécanique car il n y a pas de pièce en mouvement, pas de moteur... (à l exception d un groupe électrogène d appoint, qui n est utilisé que ponctuellement en site isolé). Les systèmes autonomes nécessitent de prévoir le renouvellement des batteries tous les huit ou dix ans. Ce coût à budgéter avoisine 10 à 15 % du prix total initial du générateur. Par contre, les investissements sont élevés et le recours à cette technologie impose une analyse très fine des besoins et l utilisation impérative d appareils énergétiquement performants. Solaire photovoltaïque - 6
7 Enfin, les aspects positifs pour l environnement ne sont pas négligeables : pas de nuisance sonore ou olfactive, pas de ligne électrique supplémentaire, pas de pollution, peu de déchets. DIMENSIONNEMENT D UN SYSTEME AUTONOME Evaluation des besoins de l'utilisateur. Fiche d'estimation d es besoins en électricité. Eclairage Nb P h/j Wh/j cuisine salon chambre bain dépendance ,5 cave... Autres récepteurs TV réfrigérateur conservateur Total 2 à 3000 Wh/J - Estimer les durées journalières d'utilisation de chaque appareil électrique et éclairage : un relevé précis et exhaustif des puissances et des durées d utilisation des récepteurs électriques permet de connaître la quantité d énergie consommée chaque jour par l utilisateur. Il faudra que le générateur photovoltaïque soit suffisant pour pouvoir fournir cette énergie. - Faire un effort en direction de la maîtrise de la demande d'électricité : Choisir des récepteurs adaptés (réfrigérateur et conservateur basse consommation, éclairage fluocompact, téléviseur basse consommation...). Utiliser des récepteurs non électriques lorsque cela est possible (cafetière...). Ecarter les usages thermiques de l'électricité : chauffage (de l'air ou de l'eau), cuisson... Solaire photovoltaïque - 7
8 Etude de l'environnement. Situation géographique du site Selon la latitude, l irradiation journalière sera différente. L énergie disponible au niveau du sol dépend de l angle d incidence des rayons solaires (plus les rayons seront proches de la perpendiculaire au sol, plus la quantité d énergie disponible sera importante). Altitude Les sites d altitude sont généralement plus favorisés par l ensoleillement que les sites de plaine. Par ailleurs, le rendement du champ de module sera meilleur avec une température plus basse. Repérage des masques Les ombres portées sur le champ de modules influent sur la production. Les arbres, bâtiments, montagnes même éloignés, peuvent provoquer un déficit de production important dont il faut tenir compte h 11h 10h h 14h 15h 8h 5 16h 20/10-21/02 21/12 20/11-20/01 21/09-21/03 Etude du lieu d'implantation Études des différents éléments du système en fonction de l'architecture du bâtiment, des impératifs du courant continu basse tension, du type d'application, détermination de l'orientation, de l'inclinaison optimale. Dimensionnement du générateur. Les logiciels disponibles La phase de dimensionnement des générateurs photovoltaïques est primordiale. Il s agit de trouver le meilleur compromis entre les besoins en électricité et les coûts encore élevés des générateurs. C est pourquoi des logiciels de dimensionnement ont été élaborés afin d optimiser la taille des générateurs et de "coller" au plus juste aux besoins exprimés, tout en tenant compte des paramètres externes (climat, masques...). A partir des données précédentes (besoins, autonomie, saison d utilisation...), le logiciel détermine la puissance crête du générateur photovoltaïque à installer ainsi que la capacité du parc de batterie. Solaire photovoltaïque - 8
9 Il existe plusieurs logiciels plus ou moins performants. Ils ont en mémoire la table d ensoleillement mensuel de la plupart des stations météo, les spécificités techniques des principaux matériels actuellement disponibles sur le marché (modules, batteries...). Certains permettent de prendre en compte l influence des masques, paramètre important qui influe sur la production journalière. Principes généraux du dimensionnement A partir des données de l'utilisateur, on détermine l'énergie journalière moyenne consommée. Connaissant l'ensoleillement global journalier pour la période la plus défavorable, il est possible de déterminer la puissance du générateur, en tenant compte des rendements de ses différents éléments. L'énergie journalière effective (déterminée à partir d une moyenne mensuelle) fournie par le panneau solaire doit être au moins égale à l'énergie journalière consommée par l'utilisation. Quelle que soit la saison d'utilisation, on calcule la puissance crête de façon à satisfaire les besoins pendant la période la plus défavorable. Par exemple, pour une utilisation à l'année, la période la plus défavorable étant sous nos latitudes le mois de Décembre, le calcul sera fait à partir des données d'ensoleillement du mois de Décembre. Orientation optimale Le plan du capteur doit être parallèle à l'équateur (plein Sud dans l'hémisphère Nord, et plein Nord dans l'hémisphère Sud). Une adaptation sera éventuellement nécessaire en fonction du terrain (présence de masques), il faudra alors choisir l'orientation qui permet le maximum d'ensoleillement journalier et il sera nécessaire d adapter la taille du générateur. Inclinaison (par rapport à l'horizontale) Elle va être fixée par : - la latitude du site : pour une utilisation à l année : Latitude ϕ Inclinaison α ϕ < 10 α = < ϕ < 30 α = ϕ 30 < ϕ < 40 α = ϕ + 10 ϕ > 40 α = ϕ la périodicité d'utilisation (permanente, été seulement...). Elle est choisie pour que l'angle d incidence des rayons solaires soit le plus proche de la perpendiculaire au plan du capteur le plus longtemps possible. Cette inclinaison sera sensiblement égale à la latitude ou légèrement supérieure pour les sites les plus éloignés de l équateur. (Ex : 60 en moitié sud de la France pour une utilisation permanente (dimensionnement pour l hiver), de 0 à 15 en zone équatoriale). Capacité de stockage La capacité du parc de stockage dépend du nombre de jours d'autonomie nécessaires (nbre de jours max. sans soleil). Selon l'application (importance de la continuité de service) et la région, cette durée peut varier de 4 à 20 jours. Solaire photovoltaïque - 9
10 La taille du parc de stockage sera donc environ l énergie consommée chaque jour multiplié par le nombre de jours d autonomie corrigé par la profondeur de décharge maximale autorisée (généralement autour de 70%). Attention : la capacité dépend aussi du courant de décharge et donc de la rapidité de décharge. Une batterie de 700 Ah en C100 (décharge en 100 h, courant max. 7 A) aura une capacité de 560 Ah en C10 (décharge en 10 h, courant max. 56 A) et 745 Ah en C300 (Doc. Oldham). Il faudra donc tenir compte du courant de décharge lors du dimensionnement. D autre part, il faudra tenir compte de l intensité maximum appelée qui, sur des batteries stationnaires au plomb, doit être limitée à 10% de la capacité en C10. DIMENSIONNEMENT D UNE CENTRALE CONNECTEE AU RESEAU Le principal intérêt d une centrale solaire est de produire le plus possible d énergie. La seule limite à sa taille sera donc fixée par la surface de bâtiment disponible et la capacité d investissement du maître d ouvrage. Lorsqu il s agit d un habitat, il est intéressant d essayer d équilibrer production et consommation : une centrale de 1,5 à 3 kwc (15 à 30 m2) et un effort fait sur la maîtrise de la demande d électricité permettent d atteindre aisément ce résultat en moyenne sur l année. Comme sur les générateurs autonomes, l inclinaison, l orientation et la présence de masques doivent être pris en considération. Sur des maisons d habitation, il sera préférable de privilégier une inclinaison comprise entre 15 et 50. Sur des bâtiments tertiaires où la surface et l intégration architecturale imposent des contraintes différentes, on pourra accepter des inclinaisons comprises entre 10 et 90 bien que pour ces positions extrêmes, les rendements seront réduits de 10 à 30 %. Pour un rendement optimal, l orientation devra être plein sud à plus ou moins 20. ORDRE DE GRANDEUR DE COUT Générateur autonome La solution photovoltaïque s avère financièrement intéressante lorsque le site à équiper se trouve suffisamment loin du réseau ou que le raccordement nécessite des investissements et des travaux de génie civil importants. Habitat, refuge, relais hertzien A partir de 800 m à 1 km du réseau, les coûts de raccordement deviennent supérieurs au coût d un générateur photovoltaïque autonome de puissance moyenne (800W à 1500W). Pour les petits systèmes, le seuil de rentabilité est atteint pour des distances beaucoup plus faibles (par exemple pour un local de gardien d une déchetterie il est possible d'étudier la solution photovoltaïque à partir de 400 m). Le coût du Wc installé varie entre 100 et 200 FF HT/Wc installé. Pour une habitation moyenne, l alimentation de l éclairage, du réfrigérateur, du petit électroménager, de la HIFI-vidéo est satisfaite par un générateur d environ 1000 à 1500 Wc. Les différences de prix sont dues à plusieurs facteurs : difficulté d accès au site, volonté d intégration environnementale, nécessité de génie civil plus ou moins important (tranchées, local technique). Un petit générateur de type "kit d éclairage" pour cabanon, camping car, bateau revient environ à F de fourniture. Solaire photovoltaïque - 10
11 P etites applications urbaines Les raccordements électriques étant souterrains, il coûte souvent très cher de raccorder des petits appareils consommant peu d énergie (horodateurs, éclairage d abribus, signalisation routière...). De petits systèmes photovoltaïques peuvent satisfaire efficacement et économiquement à ces besoins sans gros travaux de voirie. Centrales solaires Le coût au Wc installé est de l ordre de 50 à 90 FF HT/Wc. L'amplitude de cet intervalle est due essentiellement au type d intégration choisi. La différence de prix par rapport au générateur autonome vient de l absence du parc de batterie, la simplification du système de gestion, l accessibilité plus facile au site, le temps de pose réduit, et souvent des économies d échelle du fait de plus grandes surfaces de modules. ASPECTS ARCHITECTURAUX Intégration L intégration des modules solaires dans un environnement paysager ou architectural nécessite une réflexion à laquelle les concepteurs doivent apporter une attention particulière. Un système solaire ne doit pas être une prothèse technique agressive et doit éviter tout impact visuel négatif qui puisse devenir un handicap supplémentaire dont se passerait bien le développement de ces techniques. Un module solaire peut être considéré comme un matériau de construction, un produit verrier presque ordinaire, de 5 à 14 mm d épaisseur, intégrable dans les profils aluminium usuels pour constituer des murs rideaux, des verrières, des toitures... Aspects esthétiques Afin d intégrer au mieux les panneaux, il faut savoir qu il existe, à des conditions économiques certes dissemblables, divers types de modules (avec ou sans cadre, opaques ou semi-transparents) ; que les dimensions peuvent être standard ou sur mesure (jusqu à 3m2, si l importance de la commande le permet) ; qu il existe différentes couleurs de cellules (couche anti-reflet gris ardoise, bleue pour les plus courantes, mais aussi noire, brune, verte...). Solaire photovoltaïque - 11
12 La couleur de fond entre les cellules et celle de l encadrement, quand il est présent, sont primordiales pour l aspect final du champ de modules. En effet, le fond blanc ou l aluminium naturel couramment employés imposent vite sur l ensemble un graphisme pas toujours souhaitable. Dans les pays où les politiques nationales ont su créer un réel marché, des industriels proposent des modules susceptibles de satisfaire à ce souci d esthétique. Démarche de maîtrise de l énergie Dans le cas d une habitation, la distribution électrique intérieure est identique à toute autre (une simple adaptation des calibres de disjoncteurs et des sections de fils est à prévoir en fonction de la tension d utilisation). Par contre une indispensable attention apportée à la maîtrise des consommations permettra seule une bonne rentabilité du système : utilisation d éclairage fluocompact, appareillage électroménager de classe énergétique A (normalisation européenne), extinction des appareils en veille (T.V., ordinateur...), chauffage et climatisation non électriques (architecture climatique, solaire thermique...). Il est possible de couvrir 100% des besoins d une maison à l écart du réseau, ou d une maison raccordée au réseau en moyenne sur l année, avec des générateurs de 1000 à 3000 Wc, soit 10 à 30 m2 environ. De même sur les bâtiments tertiaires, il sera intéressant d avoir une approche d architecture climatique afin que la centrale photovoltaïque ne produise pas de l électricité qui sera gaspillée dans un système de chauffage électrique ou de climatisation. Implantation Modules indépendants Faute de paroi correctement exposée susceptible de les recevoir, les modules photovoltaïques peuvent être posés en indépendance sur une structure propre, à proximité des ouvrages à alimenter. La réponse proposée par le concepteur devra cependant être aussi esthétique que technique (accroche au sol, usage des matériaux environnants, couleur et aspect des modules, élégance des structures). Implantation des modules solaire en contre-bas d'une habitation Solaire photovoltaïque - 12
13 Par contre la pose en indépendance sur toiture terrasse, sauf en cas de bâtiment existant, semble difficile à justifier. Aucune économie n est réalisée sur la fonction complémentaire de paroi ou de protection solaire que peuvent assurer les modules. En réhabilitation par exemple, les modules pourraient assurer une fonction de couverture en relève d une étanchéité déficiente. Brise-soleil Les modules peuvent s utiliser en brise-soleil sous diverses configurations ; bien employés, ils limiteront les surchauffes estivales sans entraver la pénétration du soleil hivernal. On veillera toutefois à ne pas créer d ombre portée par une rangée de modules sur la rangée inférieure, dans le cas de rangs superposés. Montage en superposition Les modules peuvent être posés en superposition, avec une ventilation minimale de 6 cm, sur une toiture existante, ou devant un mur. Ce type de pose au même titre que la pose en indépendance ne remplit aucune fonction complémentaire susceptible d amortir le surcoût du système. Il peut permettre par contre sous certaines conditions d aspect et de finitions, une intégration satisfaisante sur le bâtiment. Pose intégrée Les modules peuvent assurer le rôle de paroi intelligente, se substituant au matériau de fermeture ou de couverture tout en assurant une production énergétique capable de subvenir aux besoins du bâtiment. Ils peuvent constituer la peau extérieure d une paroi opaque isolée, sous forme de tuile plate, de bardage, ou de mur rideau, comme celle d une paroi semi-transparente, en façade ou en verrière, en jouant éventuellement sur l espacement des cellules pour laisser entrer plus ou moins de lumière. Une intégration en paroi double peau ventilée peut même permettre un préchauffage d air neuf pour l hiver et une ventilation naturelle pour l été. Association photovoltaïque + thermique L association avec les techniques du solaire thermique est également possible. On peut intégrer dans une même façade ou toiture des modules photovoltaïques et des capteurs solaires thermiques. On assurera ainsi d une part la production d électricité et d autre part la production d eau chaude sanitaire ou de chauffage solaire tout en ayant, visuellement, un ensemble homogène. La quantité d air chaud récupérée derrière un mur rideau photovoltaïque peut être augmentée par l adjonction en partie haute de capteurs à air constitués d absorbeur derrière un vitrage. Ceci permettra d augmenter le rendement thermique de préchauffage d air neuf sur un bâtiment. Solaire photovoltaïque - 13
14 Les nouvelles possibilités des toitures solaires à couches minces La technologie actuellement la plus employée en Europe est celle du silicium cristallin. Cependant, la technologie du silicium amorphe en couches minces offre des possibilités nouvelles. «[...]En effet, il existe certaines applications où c est plutôt le coût par unité de surface qui est déterminant (remplacement d éléments de toiture, allèges en façades) et moins le rendement par unité de surface. [...] Les modules classiques (cristallins) sont peu à peu remplacés par des modules en couches minces, bien mieux adaptés à ces critères. Ce sous-segment n apparaîtra pas auprès du grand public avant sa maturité technico-économique. En attendant, une société américaine propose toute une gamme de produits souples ou semi-rigides, bien adaptés en couleur et en forme aux toitures américaines (shinggles). Les modules au silicium amorphe en tandem (p-i-n/p-i-n) sont deux fois moins performants que des modules multicristallins mais sont trois fois moins chers à produire au m2. Il en résulte qu ils sont meilleurs candidats dans les applications où le coût d installation est modeste. Ainsi, les filières en film mince, malgré leurs faiblesses sur les rendements, sont des candidats crédibles pour l expansion des systèmes photovoltaïques connectés au réseau, notamment pour le remplacement des tuiles, puisque pour cette application particulière le rendement n est pas un problème (on estime en effet que pour les applications domestiques, une puissance installée de 3 kw est amplement suffisante; celle-ci occupe une surface de 50m2 avec un rendement stabilisé de 6%). Si l on tient compte du fait que les rendements des modules cristallins (rendement des cellules) et en film mince (rendement d ouverture) ne sont généralement pas comptabilisés de la même façon, on aboutit sur le terrain à des résultats beaucoup plus proches que ne le laisseraient croire les étiquettes à un observateur non averti. Typiquement, exposés en plein soleil en toiture à une température de 60, un module Unisolar annoncé pour 7% de rendement a encore une densité de puissance de 70W/m2 alors qu un module multicristallin annoncé pour 13.5% de rendement ne produira que 84 W/m2» (d après Alain Ricaud - Cythelia). Solaire photovoltaïque - 14
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